余 莉，劉曉青，謝紅飛，李 堅(jiān)

（1.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京 210044；2.中南大學(xué)軟件學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000）

飛輪儲(chǔ)能用高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)*

余 莉1，劉曉青1，謝紅飛1，李 堅(jiān)2

（1.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京 210044；2.中南大學(xué)軟件學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000）

基于高效率，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出4極6槽結(jié)構(gòu)，1.6kW，35000rpm的飛輪儲(chǔ)能用高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的模型。利用Ansoft電磁場(chǎng)仿真軟件RMxprt模塊初步確立電機(jī)模型，進(jìn)行基本參數(shù)和特性曲線的確定。然后，利用Maxwell 2D模塊分別對(duì)其磁場(chǎng)分布、額定空載和負(fù)載進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明，此電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，為飛輪儲(chǔ)能用高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的進(jìn)一步分析和基于算法的優(yōu)化提供了更加可靠的性能參數(shù)。

高效率；飛輪儲(chǔ)能；高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)；4極6槽；Ansoft軟件仿真

0　引言

由于環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，國(guó)家逐漸倡導(dǎo)新能源的使用，存在的能源浪費(fèi)和質(zhì)量問(wèn)題也慢慢顯現(xiàn)出來(lái)，因此，能量存儲(chǔ)問(wèn)題被日益關(guān)注起來(lái)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是具有廣泛前景的能量存儲(chǔ)技術(shù)。從上世界50年代，現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能技術(shù)開(kāi)始使用，但一直受限于技術(shù)條件。直到90年代，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)入高速飛輪的發(fā)展階段。電機(jī)是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)里設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素之一［1-2］。

高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有高速電機(jī)的體積小、重量輕、功率密度高和輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)；也有永磁電機(jī)在采用永磁勵(lì)磁后，除了具有良好的調(diào)速特性和機(jī)械特性外，還由于省去了勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁損耗而具有結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、用銅量少、效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中電機(jī)的使用［3-5］。

因此，本文打算在分析電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用RMxprt初步設(shè)計(jì)一個(gè)1.6kW，35000rpm的4極6槽結(jié)構(gòu)的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)模型，得出效率特性曲線。然后通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)其進(jìn)行有限元仿真，驗(yàn)證模型建立的正確性，并對(duì)電機(jī)的空載和負(fù)載進(jìn)行瞬態(tài)分析，顯示各場(chǎng)量隨時(shí)間變化的曲線圖。

1　高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1主要尺寸

電機(jī)設(shè)計(jì)的主要尺寸是指定子內(nèi)徑Da和定子鐵心有效長(zhǎng)度La。在給定的功率和轉(zhuǎn)速下，電動(dòng)機(jī)的主要尺寸和電磁負(fù)荷間有著密切的關(guān)系［6］

其中，p′—電機(jī)的計(jì)算功率；αi—計(jì)算極弧系數(shù)，取0.85；kφ—磁場(chǎng)波形系數(shù)，約為1；kw—繞組系數(shù)，kw=0.866025；A—電機(jī)的電負(fù)荷（線負(fù)荷），取23.0841A/mm；Bδ—電機(jī)的氣隙磁密（磁負(fù)荷），取0.373925T；nN—電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，取35000r/min。

綜合現(xiàn)有的電機(jī)尺寸，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和優(yōu)化，取Da=31mm，La=45mm。

1.2極數(shù)和定子槽數(shù)的選擇

極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

根據(jù)此式可知，轉(zhuǎn)速不變的情況下，極對(duì)數(shù)越大，定子繞組線圈的交變頻率也隨著越大，由于單位鐵心損耗與交變頻率的1.3～1.5次方成正比例，所以電機(jī)定子鐵心損耗也會(huì)變大。同時(shí)這樣的情況下，電子器件的換向次數(shù)增加，從而增加了電子器件的換相損耗。在中低速電機(jī)里，鐵心損耗在總損耗中所占的比例較少，電機(jī)的效率隨著極對(duì)數(shù)的增加而增大；然而在高速電機(jī)中，鐵心損耗在總損耗中所占的比例較多，電機(jī)的效率會(huì)下降［7］。為了降低高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的鐵心損耗和換相損耗，所以電機(jī)極數(shù)不能過(guò)多。

目前研究比較多的槽/極之比為3，這種結(jié)構(gòu)需要較昂貴的繞線機(jī)器來(lái)特別繞制，這給實(shí)際的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的困難。且還因?yàn)殂~耗比較大給電機(jī)的運(yùn)行效率帶來(lái)問(wèn)題。另一種槽/極為3/2的組合，具有齒槽轉(zhuǎn)矩小，銅耗小，繞組機(jī)制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。這幾年在普通電機(jī)中運(yùn)用較多，但在高速電機(jī)的研究較少。因此，本文打算研究4極6槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)。

1.3永磁材料的選擇

目前常用的永磁材料是稀土永磁材料。從組成元素上，稀土永磁材料可以分為鈷永磁和釹鐵硼永磁。鈷永磁材料的磁穩(wěn)定性好，很適宜用來(lái)制造各種高性能的永磁電機(jī)，但缺點(diǎn)是鈷是戰(zhàn)略物資，價(jià)格比較昂貴，造成電機(jī)的造價(jià)較高［8］。而釹鐵硼永磁材料的磁性能高于稀土鈷永磁；釹在稀土中的含量大，資源豐富，鐵、硼的價(jià)格便宜，因此釹鐵硼永磁材料被廣泛使用。在本次設(shè)計(jì)中，采用NdFe35作為永磁材料。

2　電機(jī)模型的建立

以下列出了設(shè)計(jì)的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)模型的主要技術(shù)參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

表1　高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的主要參數(shù)

依照上面的參數(shù)，利用RMxprt初步建立電機(jī)模型，然后將其導(dǎo)入到Maxwell 2D模塊中，利用二維瞬態(tài)磁場(chǎng)理論，進(jìn)行有限元瞬態(tài)分析。圖1是所設(shè)計(jì)電機(jī)的二維模型的二分之一部分。

圖1　高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的1/2模型圖

3　電機(jī)的性能分析

3.1磁路的性能分析

圖2是電機(jī)的效率變化曲線。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到35978.947rpm時(shí)，效率達(dá)到90%，在這附近一段轉(zhuǎn)速變化時(shí)，效率仍比較高，說(shuō)明對(duì)高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，主磁通受電樞反應(yīng)的影響較小，適用于負(fù)載變化的場(chǎng)合。

圖2　效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖

3.2時(shí)步有限元分析

提出這種分析方法，主要考慮到RMxprt設(shè)計(jì)的許多參數(shù)是由軟件查表得知，同時(shí)采用磁路的方法，所以電機(jī)的設(shè)計(jì)精度深受影響，有必要基于場(chǎng)的有限元法對(duì)電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的電磁分析［9-10］。

電機(jī)轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速35000r/min時(shí)，計(jì)算出來(lái)的空載磁力線和磁密云圖分別見(jiàn)圖3、圖4。從圖3中可以看到，電機(jī)的主磁通從轉(zhuǎn)子磁極開(kāi)始，流經(jīng)氣隙、定子齒部和軛部，最后又回到轉(zhuǎn)子磁極，并與定子繞組交鏈，且漏磁現(xiàn)象少。圖4中可以看出，高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的定子齒部磁密大于軛部磁密，雖然出現(xiàn)個(gè)別磁密過(guò)高的情況，但是不存在過(guò)飽點(diǎn)，但是總體符合設(shè)計(jì)要求。

圖5a、5b是電機(jī)的空載氣隙徑向磁密和負(fù)載氣隙徑向磁密曲線圖。圖5a中，氣隙徑向磁密分布較均勻。而圖5b中，氣隙徑向磁密分布發(fā)生畸變?？梢钥闯?，電樞反應(yīng)使每個(gè)磁極的前極端增磁，使后極端去磁。另外，負(fù)載氣隙徑向磁密諧波較多。所以，圖5a、5b波形區(qū)別較大。

圖3　電機(jī)的空載磁力線云圖

圖4　電機(jī)的空載磁密云圖

圖5 氣隙徑向磁密

圖6是空載時(shí)高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的反電勢(shì)波形圖，可以看出，繞組反電勢(shì)波形是正弦波。本文定子繞組部分采用的是分?jǐn)?shù)槽集中繞組，在不采取斜槽的情況下，很好的改善了反電勢(shì)波形圖，使之幾乎完全趨近于正弦波。

圖6　空載時(shí)反電勢(shì)波形圖

圖7是機(jī)械瞬態(tài)運(yùn)行電磁力矩波形曲線圖，從圖中可以看出，啟動(dòng)后需要一段時(shí)間，約0.7ms時(shí)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到平穩(wěn)。平穩(wěn)后轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的平均值是0.570N·m，計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)是0.246，可以看出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較小。RMxprt里的額定轉(zhuǎn)矩是0.442002N·m，而與此圖有一定的誤差。但為了精確性，還是根據(jù)有限元的結(jié)果為準(zhǔn)，因?yàn)镽Mxprt是針對(duì)電機(jī)的初步設(shè)計(jì)。

圖7　機(jī)械瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)電磁力矩波形曲線圖

圖8　機(jī)械穩(wěn)態(tài)A相繞組電流曲線圖

圖8是電機(jī)機(jī)械穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的A相繞組電流曲線圖，由于三相繞組電流具有對(duì)稱性，也為了方便看圖，所以只分析了A相繞組的情況，從圖中可以看出，功率開(kāi)關(guān)管相繼導(dǎo)通時(shí)，波形圖有下凹的狀況，是由于功率開(kāi)關(guān)管有上升和下降延時(shí)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文在充分考慮電機(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)的前提下，設(shè)計(jì)出槽/極之比為3/2，1.6kW，35000rpm的飛輪儲(chǔ)能用高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)模型，通過(guò)氣隙磁密云圖和磁力線云圖等來(lái)驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)的正確性。同時(shí)通過(guò)瞬態(tài)有限元分析來(lái)計(jì)算電機(jī)的各種特性曲線，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的電機(jī)擁有良好的性能，為電機(jī)的進(jìn)一步分析和基于算法的優(yōu)化提供了更好的設(shè)計(jì)路徑。另外，從分析中，這種槽/極結(jié)構(gòu)，可在不斜槽的情況下，改善電機(jī)的反電勢(shì)波形，大大減少了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，且當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到35978.947rpm時(shí)，效率能達(dá)到90%，滿足飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電機(jī)的效率需求。尤其隨著這幾年高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)在飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)需求更加迫切。

［1］王江波，趙國(guó)亮，蔣曉春，等.高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電氣傳動(dòng)，2014，44（1）：26-30.［2］孫秋霞，王法慶.采用脈寬調(diào)制的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)壓設(shè)計(jì)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006（11）：28-30.

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（編輯 趙蓉）

Design of High Speed Permanent Magnet Brushless DC Motor for Flywheel Energy Storage

YU Li1，LIU Xiao-qing1，XIE Hong-fei1，LI Jian2
（1.Department of Information&Control，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China；2.Software College，Central South University，Changsha 410000，China）

According to the requirements about the high efficiency，reduction of torque ripple，the features of motor were researched.A 4-pole 6-slot structure，1.6kW 35000rpm high speed permanent magnet brushless DC motor model for flywheel energy storage was designed.Ansoft，a electromagnetic simulation software.Motor model，basic parameters and characteristic curve were established initially by using RM xprt，which is a module of Ansoft.Then Maxwell2D module was used to finitely analyze its magnetic field distribution，rated no-load and load.The results show that the design of the motor structure is reasonable and strongly practical，in terms of the high speed permanent magnet brushless DC motor for flywheel energy storage，it can also provide more useful parameters for the further analysis and optimization based on algorithm.

high efficiency；flywheel energy storage；high speed permanent magnet brushless DC motor；4-pole 6-slot；ansoft software simulation

TH39；TG506

A

1001-2265（2015）02-0047-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.013

2014-06-10；

2014-07-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（51207072）

余莉（1973—），女，河南固始人，南京信息工程大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)轱w輪儲(chǔ)能、運(yùn)動(dòng)控制，（E-mail）yuhoo405@163.com；通訊作者：劉曉青（1990—），女，江蘇鹽城人，南京信息工程大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楦咚匐姍C(jī)，（E-mail）xiaoqing_liu1990@126.com。